一种铁磁性材料应力测量装置和方法与流程

本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种通过铁磁性材料磁致伸缩激励电磁超声的原理，利用应力与磁致伸缩的关系进行铁磁性材料应力无损测量的方法。

背景技术：

应力的无损测量方法主要包括如下几大类：基于应力对超声波特征(波速，波模式、散射率等)影响的方法，基于应力对材料电磁参数(磁导率、磁致伸缩系数、电导率)影响的方法，基于巴克豪森效应的方法，以及基于x射线衍射的方法，这些方法各有优缺点。其中基于应力对材料磁致伸缩系数影响的测量方法需要测量材料磁致伸缩系数，传统方法是将试样放置于一个磁场中，然后测量材料长度的变化。这种方法需要在试样表面粘贴应变片，或使用激光干涉的方法测量其应变大小，上述方法的测量效率非常低，不适用于大规模或在线测量。

电磁超声换能器emat(electromagneticacoustictransducer)是一种利用电磁耦合的方式激励和接收超声波的换能器，常用于进行金属材料缺陷的检测和尺寸、应力等参数的测量。电磁超声的换能机制主要包括：洛伦兹力机制、磁致伸缩机制、磁化力机制，非铁磁性材料的电磁超声换能机制为洛伦兹力，而铁磁性材料的换能机制则以上三种都有，由于磁化力非常小，一般可不考虑。洛伦兹力对应力变化不敏感，而磁致伸缩系数与应力则具有一定的关系，对于低碳钢，两者的关系如图2和3所示。本发明采用基于磁致伸缩效应的电磁超声换能器，其在铁磁性材料中激发的超声波信号可反映铁磁性材料的磁致伸缩系数，通过磁致伸缩系数与应力的对应关系可评估铁磁性材料的应力大小。通过这种方法可实现铁磁性材料应力的非接触快速测量。

技术实现要素：

铁磁性材料在磁场中会被磁化，磁化过程中，发生磁畴壁移动和磁畴转动；这个过程同时伴随着尺寸的变化，这种现象称为磁致伸缩效应。材料尺寸的变化量δl与总长度l的比值称为磁致伸缩系数，这一系数与外部磁场强度的关系曲线称为磁致伸缩曲线。该曲线除了受材质、温度的影响还受应力的影响。在同样的材质、同样的温度下，磁致伸缩系数变化可反应出应力大小的变化。关键在于对磁致伸缩系数的测量，本发明方法利用基于磁致伸缩效应的电磁超声实现对磁致伸缩系数的相对性测量。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种铁磁性材料应力测量装置，包括脉冲发生器(1)、多匝线圈(2)、超声波接收探头(3)、待测试样(4)、信号放大器(5)、信号记录和分析模块(6)；多匝线圈(2)放置于待测试样(4)需要测量应力的区域的正上方，保持提离距离为3mm–15mm之间的某个固定值，线圈主平面与待测试样(4)表面垂直，多匝线圈(2)的输入与脉冲发生器(1)的输出采用导线连接；超声波接收探头(3)放置于多匝线圈(2)的轴线方向上，与多匝线圈(2)的距离保持在大于检测盲区150mm，用于接收线圈在试样中产生的超声波；信号放大器(5)的输入与超声波接收探头(3)的输出采用导线连接，信号放大器的输出与信号记录与分析模块(6)的输入相连接。

所述脉冲发生器(1)产生的脉冲电流信号为宽频脉冲信号，可选的使用窄带脉冲信号。

所述多匝线圈(2)由金属导线绕制而成，线圈匝数影响着线圈的阻抗，线圈匝数设定原则应利于线圈与脉冲发生器的输出之间的阻抗匹配。

所述多匝线圈(2)可选的配置一个水平方向磁化的永磁体对待测试样进行预磁化，以提升换能效率。

所述超声波接收探头(3)为电磁超声接收探头，可选地使用压电超声探头。

所述待测试样，为具有磁致伸缩效应的铁磁性材料。

本发明还提供一种检测方法，具体方法为：

方法包括装置标定过程和测量过程两个过程；

装置标定过程为，用没有应力的铁磁性材料标准试样作为待测试样，脉冲装置标定阶段中，用没有应力的铁磁性材料标准试样作为待测试样，脉冲发生器(1)产生脉冲电流，驱动多匝线圈(2)，多匝线圈(2)周围产生的动态磁场，由于磁致伸缩效应引起标定试样表面局部振动，产生超声波，超声波被超声波接收探头(3)接收并转换为电信号传输给信号放大器(5)中，经过放大后被记录下超声信号的峰峰值为a0。然后对标准试样施加应力a，得到应力为a时的超声波信号峰峰值aa，计算b＝a0/aa；对标准试样施加不同应力a，重复以上过程，可得到多组(a,b)值，以a为横坐标，b为纵坐标，绘制(a,b)曲线图；

测量阶段中，将标定试样替换为需要测量的待测试样(4)，进行测量，记录下超声信号的峰峰值为ad，计算b＝a0/ad，通过(a,b)曲线图得到待测试样(4)线圈正下方处的应力值a；其中，标定试样与测量试样为同种材料。所述标定试样与测量试样为同种材料。

附图说明

图1为测量装置结构示意图，图1中：1为脉冲发生器，2为多匝线圈，3为超声波接收探头，4为待测试样，5为信号放大器，6为信号记录和分析模块。

图2为典型实施方法示意图。

图3为激励线圈中通入的典型激励电流。

图4接收到的超声波的峰峰值与应力之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的典型实施方式。

待测试样是厚度为4mm低碳钢钢板，激励探头采用基于磁致伸缩效应的电磁超声换能器，接收探头采用传统线性线圈电磁超声换能器。实施结构如图2所示，激励线圈采用直径为1mm匝数为6的矩形线圈，线圈由漆包铜线绕制而成；线圈沿y方向和z方向的尺寸分别为30mm和15mm，线圈的轴向与x轴平行，线圈的提离距离l1＝10mm；激励线圈通入的脉冲电流如图3所示，最大电流约为270a，持续约7微秒。在沿x轴方向距离激励线圈d＝500mm处设置接收探头，接收探头采用线性线圈加垂直磁场布置的电磁超声换能器，接收探头的提离距离为1mm。接收探头的输出与信号放大器的输入连接，信号放大器与信号存储分析设备(如示波器)连接。应力测量的具体步骤为：

步骤1：将没有应力的厚度为4mm的钢板作为标准试样，激励线圈中重复通入脉冲电流，重复周期为20ms；由于试样为薄板，激励探头在试样中将产生s0兰姆波，计算s0兰姆波的峰峰值为a0。

步骤2：对标准试样施加大小为150mpa，100mpa，50mpa，30mpa，10mpa，-10mpa，-30mpa，-50mpa，-100mpa，-150mpa的应力(正值为拉应力，负值为压应力)，重复步骤1，得到不同应力下s0兰姆波的峰峰值aa，计算b＝a0/aa，以应力大小为横坐标，b值为纵坐标，绘制曲线图如图4所示。

步骤3：将与标准试样同样材质的钢板为待测试样，重复步骤1，得到s0兰姆波的峰峰值ad，计算b＝a0/ad，将b作为图4的纵坐标值，从图4中寻找对应的横坐标值作为测量得到的应力值。

上所述为本发明的典型实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种铁磁性材料应力测量装置和方法，脉冲发生器(1)驱动多匝线圈(2)在试样(4)中基于磁致伸缩效应产生超声波，并被接收探头(3)接收转换为电信号，经过信号放大器(5)放大，通过信号记录和分析模块(6)记录下超声波的峰峰值。测量过程包括两个阶段：在标定阶段，对没有应力的标准试样进行测量，记录下超声波峰峰值A0，然后对标准试样施加应力a，得到应力a时的超声波峰峰值Aa，计算b＝A0/Aa，绘制(a,b)曲线图。在实际测量阶段，将与标准试样同样材质的铁磁性材料作为待测试样(4)，得到超声波信号峰峰值Ad，计算b＝A0/Ad，通过(a,b)曲线图得到待测试样(4)的应力值a。

技术研发人员：徐科;任威平;周鹏
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2018.07.16
技术公布日：2018.12.21